Zigbee无线网络在数据采集中的应用

2012-09-04信阳农业高等专科学校计算机科学系张克旺朱猛

河南科技 2012年7期

信阳农业高等专科学校计算机科学系张克旺朱猛

Zigbee无线网络在数据采集中的应用

信阳农业高等专科学校计算机科学系张克旺朱猛

ZigBee无线数据传输网络，适用于钢铁冶炼温度控制、蔬菜大棚温度监控、土壤酸碱度监控和煤气抄表等多个领域。该网络是中短距离、低速率的无线传感网络，射频传输成本低，各节点只需很少的能量，即可实现一点到2点和多点间的对等通信，具有快速组网自动配置、自动恢复和高级电源管理功能，网络中任意2个传感器之间可相互协调实现数据通信。并且，ZigBee网络能够满足对各种传感器的数据输出和输入控制，使现有系统实现网络化和无线化，可应用于温度湿度监控、压力过程控制数据采集、流量过程控制数据采集、工业监控、楼宇自动化、数据中心、制冷监控、设备监控、社区安防、环境数据检测、仓库货物监控等诸多领域。

一、设计模型

设计1个数据采集系统，实现对4路模拟量进行数据采集，4路模拟量信号分别为1～5V电压信号、4～20mA电流信号、0～60 mV电压信号和0～200Ω电阻信号，数据采集由CC2430芯片完成，采集数据通过无线网络传送接收端的CC2430，将数据传送到上位机（PC机）上显示。

二、硬件设计

1.硬件构成。

（1）设计出模拟量输入通道（含信号调理电路和滤波电路）。

（2）设计出CC2430的无线收发模块（包括发射部分和接收部分）。

（3）设计出CC2430与PC机的串口通信电路。画出上述电路原理图，并在实验板上实现（已调试通过）。

2.硬件实现。实验采用4个按键来启动A/D转换。其中，CC2430的P2.0口接按键1，P2.1口接按键2，P2.2口接按键3，P2.3口接按键4。

（1）当按键1按下后，启动A/D转换，对应CC2430的IN0口将采集0～5V的电压信号并进行转换，然后将转换的结果通过无线方式传送到接收端的CC2430芯片上，同时通过串口送至PC机，通过VC编写的上位机程序进行显示。

（2）当按键2按下后，启动A/D转换，对应CC2430的IN1口将采集的电压信号进行转换，在软件处理上采用电压和电阻方式来得到相应的电流值，然后将转换的结果通过无线方式传送到接收端的CC2430芯片上，同时通过串口送至PC机，通过VC编写的上位机程序进行显示。

（3）当按键3按下后，启动A/D转换，CC2430的IN1口将采集的电压信号进行转换，在软件处理上采用将采集得到的电压放大相应的倍数的方式来得到相应的电压值，然后将转换的结果通过无线方式送到接收端的CC2430芯片上，同时通过串口送至PC机，通过VC编写的上位机程序进行显示。

（4）当按键4按下后，启动A/D转换，对应CC2430的IN3口将采集的电压信号进行转换，在软件处理上采用电压和电流方式来得到相应的电阻值，然后将转换的结果通过无线方式传送到接收端的CC2430芯片上，同时通过串口送PC机，使用VC编写的上位机程序进行显示。

在无线部分本设计中，笔者选用了CC2430无线收发模块。CC2430使用低功耗的8051微控制器，集成符合IEEE802.15.4标准的2.4GHz的RF无线收发机。它具有电池监测和温度监测功能，集成14位模/数转换的ADC，以及1个符合IEEE802.15.4规范的MAC计时器，1个常规的16位计时器和2个8位计时器。扩展引脚如图1所示。

数据采集的部分采用P0.6口作为ADC输入，使用内部集成的14位模/数转换器来完成。P0.2口和P0.3口作为串口与电脑相连，数据采集结果通过串口调试助手来显示，采集外部参考电压0～3.3V实现数据的动态显示。数据采集部分设计如图2所示。

图2 数据采集部分设计

三、软件设计

1.软件实现。

（1）编写4个通道的数据采集程序。

（2）数据采集程序加载到Zigbee协议栈的应用程序部分。

（3）Zigbee协议栈接收部分程序设计。

（4）编写VC上位机串口显示程序。

ZigBee协议栈由1组子层构成，每个子层为上层提供1组特定的服务。1个数据实体提供数据传输服务，1个管理实体提供全部的其他服务。每个服务实体通过1个服务接入点（SAP）为其上层提供服务接口，并且每个SAP提供了一系列的基本服务指令来实现相应的功能。ZigBee协议栈虽然基于标准的7层开放系统互联（OSI）模型，但仅对那些涉及ZigBee的层予以定义。其中，应用层的框架包括了应用支持子层（APS）、ZigBee设备对象（ZDO）和由制造商制定的应用对象。结构体系如图3所示。